作者：（加拿大）宝琳·加尼翁著
出版社：浙江教育出版社
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1小时粒子物理简史试读：
译者序
2012年7月4日，科学界和物理学界发生了一件不同寻常的事：欧洲核子中心（CERN）举办了一次科学报告会，紧接着是一次新闻发布会，向世界公布了人们期待已久的疑似希格斯玻色子的发现。这一发现被公认为物理学界近50年来最重要的发现之一，2012年年底被权威国际期刊《科学》遴选为当年世界上十项最重大科学发现之首。在其后几个月里，在CERN工作的数千名物理学家继续努力，于2013年年初利用数倍于2012年7月前积累的数据，最终确认了该粒子就是1964年由数名理论物理学家提出的希格斯玻色子。从而在当年10月8日，2013年的诺贝尔物理学奖颁发给了比利时的恩格勒（Englert）教授和英国的希格斯（Higgs）教授。此项诺贝尔奖使我们这些直接参与发现希格斯玻色子的物理工作者们感慨万千，我情不自禁地在我的博客里写道：2013年诺贝尔物理学奖与我们本周一晚上，2013年诺贝尔物理学奖颁发给了恩格勒和希格斯两位教授，这和我过去近20年（将近我的30年物理生涯的三分之二）的工作密切相关。我们的团队（CMS国际合作组）与ATLAS国际合作组一起于去年7月发现的希格斯玻色子，是世界上几十个国家和地区的几千位物理学家齐心合力共同奋斗了几十年的(1)虽然我们几千人中没有一个人获奖，但如果没有我们的发结果。现，也就没有这次颁发给希格斯教授等人的诺贝尔物理学奖的事件。这是世界物理学界50年来最重大的科学发现之一，我们为能有机会直接参与到这项重要工作的艰苦进程中深感无比的幸运，感慨万千。如诺贝尔委员会的颁奖词所述，2012年7月CERN的大型强子对撞机（LHC）上“ATLAS和CMS两个研究团队（每个团队由3000多名科学家组成）成功地从数十亿次的质子对撞中检测出希格斯粒子”，从而验证了恩格勒、希格斯和其他物理学家48年前构造出来的基本粒子理论。希格斯和恩格勒教授获得了今年的诺贝尔物理学奖，是对我们过去几十年的努力和成果的认可。但这只是一个新的开始，后面的路更长、更艰苦。人类对未知世界的好奇将驱使我们在探索未知世界的道路上永远奋勇前行。
希格斯玻色子很重要，但是它为什么重要？发现它为什么这么艰难？CERN是怎么发现它的？发现它之后，粒子物理学还将向何处发展？还有什么新发现值得人们期待？很多读者希望有一本通俗易懂的书可以回答这些问题。恰巧，由印第安纳大学资深研究员宝琳·加尼翁（Pauline Gagnon）所著的这本书应运而生。宝琳从20世纪90年代中期开始在CERN工作，先是参加了大型正负电子对撞机（LEP，它完成了使命后于2000年被拆除，留下了27千米长的环形隧道；其后，LHC就建在此隧道中）上的粒子物理实验，后来加入LHC上的ATLAS实验的国际合作组。一直到撰写本书之前，她大部分时间都在CERN工作。我本人从1988年开始在CERN工作，到2018年正好满30年；从1994年开始参加LHC上的CMS实验的国际合作组至今。我和宝琳过去在CERN偶尔相遇，但在工作上没有交集。尽管如此，由于她在CERN不仅参加具体的探测器建造和物理分析工作，而且在2011年到2014年间还曾担任CERN的官方博客《量子日记》（Quantum Dairies）的正式博主之一，所以在CERN工作的人都知道她和她的博文。正如她在本书第4章提到的，她2012年7月4日当天正在澳大利亚墨尔本的当年国际粒子物理大会现场，远程亲临CERN的科学报告会和新闻发布会，为多国媒体做现场直播，同时更新CERN的博客。
在此，我由衷地感谢原书作者宝琳·加尼翁近一年来和我对书中各个章节的频繁讨论。她不厌其烦地解释了我提出的各种各样的问题——从物理内容，通俗表达，到涉及英语、法语的习惯用法，等等。本书的第一版由加拿大的一家法文出版社出版，后来由牛津大学出版社出版了英文版。至今已被翻译成中文繁体（译自法文版，在中国台湾地区发行）和波斯文，正在被翻译成中文简体（本书）和土耳其文，还将被翻译成德文。这一年来，作者和我对很多章节进行了深入探讨，对很多有关的数字从其他文献中或通过咨询她的ATLAS同事和我的CMS同事加以核实和补充。作者还专门为中文简体版补充了关于华裔女物理学家吴健雄的一节内容，并准备用在今后的再版和其他语种的译文版中。在此，我再次向原书作者宝琳·加尼翁给予我的极大帮助表示诚挚的感谢。
我也衷心感谢北京磨铁图书有限公司的指导和帮助，是他们将此书的中文简体版翻译工作委托给我，使我感觉责任重大。他们也理解我并非专职的译者，翻译之余还承担着本职的科研工作。磨铁公司的编辑们理解我的工作状况，支持我灵活掌握进度，回答我有时提出的翻译中的问题，使本书得以按时完成。
我特别要感谢我的家人（夫人可晶和儿女们），他们从一开始就给予了我极大的支持。可晶在自己繁忙的工作之余，仔细阅读了本书的前三章（包括一些逐字逐句的修改建议）。由于翻译此书和我在CMS国际合作组中的其他工作占据了我的大部分业余时间，她忍耐、操劳着生活的其他方面，使我很感动。儿女们在他们自身的紧张求学和工作中，也时常关注我的翻译进展，给予我鼓励，对此我非常感激。
我还要特别感谢杰若德和斯泰拉·提艾尔夫妇。他们作为非物理学家，怀着对本书的特殊兴趣，专门网购了本书的英文版。斯泰拉夫人是我近40年前的校友，1981年到美国攻读学位。她长期从事生物医药领域工作，曾在乔治顿大学和斯坦福大学学习和做研究工作，曾经担任过旧金山湾区华人生物科技协会会长。虽然我们分别30多年以来一直没有机会重逢，但当他们得知我正在翻译此书后，以极大的热情参考英文版阅读了此书的每一章节，从一个非物理专业读者的角度满腔热忱地提出各种修改建议。尤其是最后几章，有几处英文表达的疑难段落，我们进行了深入讨论，使本书的翻译顺利结束。书中的几个庞大的表格也是她帮助编辑的。对此，我发自内心地表示感谢。
这是我参与的第二部译著。前一部是《居里一家》，在2011年秋出版发行（2016年再版）。那部书是我和翻译专家、山东大学的王祖哲教授合译的。而本书的翻译工作由我独立完成，又是一番不同的经历。虽然我多年来与同事们几乎全部用英文进行工作交流，但在翻译一些章节时，对有些专业词汇的中文译法仍不太熟悉。遇到这些问题时，我得到过北京大学物理学院的赵光达院士和李强老师、中国科学院理论物理所的张肇西院士、中国科学院高能物理所的张闯和鞠长胜研究员的帮助。在此向他们表示诚挚的感谢。
最后，我深深地怀念和感谢我已故的父母，感谢他们生前几十年对我的教育和感染。他们曾反复教诲我“终生守着这条准则”，即“做什么，就好好地去做”，做任何事都必须实实在在，来不得任何弄虚作假。这也是我们在LHC上做研究的数千位物理工作者齐心合作奋斗几十年，最终发现希格斯玻色子的重要前提之一。值得强调的是，在我翻译这两部书期间，我还不得不和一些在我的科研生涯中遭遇的学术腐败的恶劣案例做持续地抗争。例如，有个别学生的学位论文抄袭剽窃了别人的论文中高达75%的文字，并且抄袭剽窃者十余年来自始至终没有任何悔悟的表示，还找了一些缺失学术基本道德或不具备资格的人千方百计地狡辩否认其75%的抄袭剽窃。令人欣慰的是，现在全国上下正在针对人民群众普遍关注的诚信缺失问题，针对经济社会和教育学术领域中突出的失信问题，进行集中整治，包括对论文造假、考试作弊的专项治理。我坚信，通过全社会的努力，中国的科研和教育的学术诚信水平一定会得到提高，抄袭剽窃者终究会在中国遭到无情的唾弃。
唯此，我愿将这部不寻常的书献给我已故的父母、现在的家人和下一代的孩子们，以及给予此书巨大帮助的朋友和同事们。
此外，原书作者宝琳现在的主要工作是科普传播。我从2004年以来，也力所能及地参与到这类工作中。原因之一是我认识到，实验粒子物理研究耗资巨大，但几乎没有任何直接的经济效益（但在历史上也间接出现过对人类生活产生了重大深远影响的成果，例如当今不分老幼每天都在使用的WWW万维网技术就是约30年前在CERN发明的），而这些巨额资金都是来自世界各个有关国家的纳税人。我们有责任向公众解释这些巨额资金的用途和使用成果，从而不断得到广大公众的理解和持久的支持。我们在这方面的努力，使各国公众对科学的兴趣大增；多年来，CERN一直是最受访问日内瓦的公众欢迎的参观地点之一，有时还名列榜首。我们还将一如既往，为争取广大公众继续支持我们深入探索人类未知世界而不懈地努力。宝琳的这本书介绍得比较全面和详细，希望受到对物理和宇宙有兴趣或感到好奇的读者的喜爱；另一方面，倘若有读者发现本书中某处存有差错或叙述不清的情况，恳请您们通过电子邮件（我的邮址是sijin.qian@cern.ch）告知，我将由衷地感谢，一定争取今后以适当的方式给予修改和更正。如果以后有机会，我将尝试把我十几年来向广大公众解释CERN和粒子物理的经历作一总结，用更通俗的方式为更广泛的读者服务。钱思进北京大学 物理学院2018年10月(1) ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS），环形LHC装置；CMS（Compact Muon Solenoid），紧凑型缪子螺线管；二者是位于CERN的LHC上的两个通用型粒子物理探测器，详见第3章。——译者注
章节摘要
第1章：物质是由什么构成的什么是物质的最小颗粒？它们如何相互作用而形成我们所观察到的、围绕在我们四周的所有物质？粒子物理的标准模型是当今描述所有这些粒子和它们之间相互作用的理论模型，它给了我们对物质世界的一个清晰的描述。该模型甚至可以预言这些粒子的行为直至非常高(1)的准确度，这些粒子中的每一个粒子又有与之伴随的反粒子。但是，几乎所有的反物质都神秘地从我们的宇宙中消失了。第2章：希格斯玻色子是怎么一回事
新闻媒体已经传播了这样一个信息，说希格斯玻色子把质量赋予了其他基本粒子。事实上，要产生基本粒子的质量需要三个要素：一种机制、一个场和一种玻色子。布鲁特-恩格勒-希格斯（Brout–Englert–Higgs）机制是一个数学形式，它通过公式描述一个物理实体（Brout-Englert-Higgs场）。这个场简单地说就是我们宇宙的属性之一，类似空间和时间等其他属性。而希格斯玻色子则是这个场的激发态，就像一个波浪是海洋水面的一个激发态，希格斯玻色子的发现证实了这个场的存在。第3章：加速器和探测器：发现希格斯玻色子的基本工具
产生希格斯玻色子是欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的一个目标。LHC先把质子加速到接近光速，然后同相向运行的质子进行对撞，这台加速器可以将大量的能量集中到空间中极小的一点。对撞产生的能量转化为粒子实体，这些对撞后产生的粒子绝大部分是不稳定的，产生后瞬间就分裂成碎片。位于对撞点上的探测器就像巨型照相机，捕捉这些短暂粒子的碎片。第4章：希格斯玻色子的发现
通过整理在LHC上运行的探测器所收集到的成千上万亿个对撞事例，物理学家们可以选出少数几个有希格斯玻色子特征的事例。先进的统计方法使我们可以从所有其他类型的对撞事例中挑出希格斯玻色子，让科学家们实现“大海捞针”。第5章：宇宙中黑暗的一面
标准模型在很多情况下效果非常好，但它只适用于整个宇宙内容的5%。实际上，我们宇宙中的27%是由一种奇特类型的物质组成的，是某种被称为“暗物质”的神秘东西。剩余的68%的宇宙充斥着(2)一种令人困惑的未知的能量。但是，有大量的证据证明暗物质是存在的，它在宇宙学中扮演着重要的角色，在所有星系的形成过程中充当着催化剂。我们可以利用引力透镜，通过暗物质的引力效应探测到它的存在。为了能够最先捕捉到暗物质粒子，现在若干实验或运行在深层地下，或安装在国际空间站上，或在欧洲核子中心的大型强子对撞机上，正在着手探测工作。第6章：超越标准模型，邀请超对称理论来救援
不管标准模型是多么成功，它仍有一些缺陷：例如，它没有解释引力，也没有解释暗物质。显然，应该有一个包容更广的理论，它将基于标准模型，但是更深远。一个看起来比较合理且诱人的被称为“超对称”（SUSY）的理论非常受欢迎，这个理论有各种让我们满意的东西：它基于标准模型，把物质颗粒和相互作用力的载体颗粒统一在了一起，还配备了一种可解释暗物质的理想的候选新粒子。但是，SUSY至今一直没有在实验中被发现。那么，这个理论假设仍有可能是正确的吗？哦，仍有可能！第7章：基础研究能给我们什么好处
所有这些研究都不是免费的。这些花费值得吗？我的回答毫不犹豫：“值。”多亏了基础研究，人类才对我们周围的物质世界有更好的认识，这已经有很多实例。但是如果考虑基础科学所产生的所有其他效益，将举不胜举。科学研究活动培养出了一支训练有素的员工队伍，这些人在社会发展的很多方面做出了贡献。从基础研究派生出来的经济和技术成就使基础研究成为最佳投资之一，甚至就短期投资而言。第8章：CERN的实验：独一无二的管理和合作模式
数千个研究人员协同工作，没有直接的监管，自由地决定他们想在何时、何地和如何工作。这现实吗？这正是粒子物理研究中的大型合作组如何运行的模式。这种管理模式支持创新、个人主动性和赋予所有相关人员权力。它简单地依赖整个群体里共有的兴趣，一起去成功地完成他们的实验。这种模式也可能会使很多商业公司获益。第9章：物理研究中的多元化
相比几十年前，现在更多的女性选择物理学研究工作作为她们的职业。但是在欧洲核子中心，尽管情况在持续改进，也只有17.5%的科学家是女性。为什么会这样？如何能使情况更好？女性并不是在这个领域里仅有的处于少数地位的群体。通过在性别、民族、性取向、宗教和体力等方面的多元化，科学一定能发展得更好，科学上的多元化将带来更强的创造力。第10章：下一个重大发现将会是什么(3)
作为本书的结论，我抽出我的水晶球，针对科学发现来预言一下，在今后几年我们可能期待什么。特别是欧洲核子中心的大型强子(4)对撞机于2015年重新启动，在更高的对撞能量上运行，开启了新发现之门。这些突破可能彻底改变我们对周围物质世界的认识。(1) 反物质是由反粒子构成的。——译者注(2) 因为没人知道它是什么，而被称为“暗能量”。——译者注(3) 西方占卜师通常在预言之前要做此事。——译者注(4) 在停机两年进行了检修和升级以后。——译者注
引言
你们中的很多人可能已经听说过2012年希格斯玻色子的发现和欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。但是我们现在处在什么阶段？粒子物理学的下一个挑战是什么？下一个重大发现可能是什么？如果你希望更好地理解构成我们周围万物的粒子是什么东西，了解基础研究是如何进行的，并弄清楚现在粒子物理学的状况，请继续读下去。
这是一本为非专业人士撰写的图书，尽可能使用简单的术语。更专业一些的读者也会在这里找到“全局视角”，而它常常在人们开始专门的研究后就被不幸地忽略了。本书旨在用普通人能够理解的、更接地气的方式解释粒子物理学引人入胜的世界，而不必让数学或过于详细的解释模糊了主题。有一些好奇心应该足够了，阅读本书并不需要超出高中水平的高等数学或科学概念的预备知识。
这本书为了保留要点，省略了几个历史节点和数学细节。我们物理学家往往倾向于用绝对正确的嗜好来模糊主题，但这本书恰恰相反。虽然这本书在科学上是正确的，但它的目的是接地气，里面既没有公式也没有复杂的计算。任何拥有最基本兴趣的人都可以读完它而不至于过多地陷入困境，了解到那些诱发了成千上万个从事这类研究的科学家的激情所在。
然而，我也不想亏欠那些喜欢刨根问底的读者，因此在书中提供了他们可以期待的详细信息。这些细节已被收集到正文之中，以减少那些主要想了解概况的读者的阅读量。市场上还有几本更专业的书，可以让热心的读者更深入地阅读。
如果你是一个好奇的人，只是想知道你纳税的一部分是如何用于资助科学研究的，这本书就是为你准备的。你也可以从粒子物理研究中获得的非凡的知识中受益。如果你认为，更好地理解我们周围的世界而产生的愉快，还不足以证明为研究投入的巨额资金是合理的，书中将有一整章探讨基础研究带来的深刻的经济和社会影响。
在阅读此书时，如果觉得某一段似乎太难了一点儿，请继续读下去，或者跳到下一节；在阅读的过程中，复杂的程度并不会增加。从本质上说，每一章的阅读都可以独立于其他章节。所以如果你有一点儿失落（这有时候可能发生），请放心：所有的章节都以一个简短的总结结尾，在那里会再次概括该章最重要的信息。这些摘要将允许你跳过某一节甚至一整章来迎合你的需求。我希望通过这样的安排，每个人都能找到他或她所需要的东西——不论他们是在寻找新知识的好奇的退休人员，还是渴望开阔眼界的学生，又或者是我的亲朋好友和他们的邻居们。
这本书首先解释了粒子物理学的目标并描述了基本粒子物理世界。然后，我们会进入这个主题的中心，去发现希格斯玻色子的性质和它发挥的独特作用。我们将看到LHC上的基本粒子是如何产生的，物理学家们是如何探测它们的。再然后，我们将前进一大步，从无穷小到无穷大，认识到目前粒子物理学中所有的知识不过只解释了整个宇宙内容的5%，其他的一切都有待发现。这表明另一个更广泛和更包容的理论不久就可能会取代目前的标准模型。
粒子物理实验的成功依靠的是一种独特的管理方式，每个实验的管理团队，按照预先约定的机制来协调各种活动，而不是把领导的观点和命令强加给人们。因此，来自几十个不同国家和地区的成千上万的科学家们从事着高度自治的工作，没有命令或直接的监督，仅仅通过共同的目标团结在一起：去发现物质世界是如何运转的。多样性意味着创造力，尽管已经在多样性发展方面颇有进展，但是粒子物理学仍然可以通过欢迎更多不同的性别、性取向、人种和体能的人们去争取更丰硕的成果。
这本书以不久的将来作为结尾，并探讨未来10年或20年内粒子物理学的下一批重大发现。我们很可能处在一场巨大的科学革命的边缘，我希望我的书能帮你避免被甩在后面。你也可以从书中发现希格斯玻色子是怎么一回事，以及更好地理解当今物理学中的一些关键问题的其他重要课题。图1：粒子动物园（Particle Zoo）的“希格斯玻色子”（BT）。资料来源：粒子动物园（已获准）。第1章物质是由什么构成的
现存物质的最小成分是什么？它们是如何结合在一起构成我们所看到的周围所有的物质的？回答这个问题正是粒子物理学研究的目的。物理学的这一分支的目标就是寻找物质的最小（不能再被分解成更小的部分）颗粒，以及它们之间相互作用的方式。
假设有一个地方，那里所有的材料都是由乐高砖块搭制成的（见图1.1）。那么，如果我问你“这些物质的最小的部分是什么”，答案将会很简单。拆开各种用乐高搭成的物体就足以看到构成这些物体的最小的乐高砖块，从那里可以推断出，一个完全由乐高砖块构成的世界中的基本粒子是什么。所有的东西都可以由这些基本的砖块建成，所有现实世界的物质也同样如此：它们都是由“基本砖块”组成的，只不过这些不可分割的最小部分太小了，很难被看到。而且，要把物质分解成最小的成分几乎是不可能的。图1.1：如果所有的物质都是由乐高砖块搭制成的，基本粒子就是这些乐高砖块的样子。但在现实生活中，要去看搭建复杂物质的积木块是什么，将会难得多。资料来源：宝琳·加尼翁。
关于“物质的最小颗粒是什么”这个问题由来已久。有史以来，很多人都提出了同样的问题。2500年前，有两位希腊哲学家——留基波（Leucippus）和他的追随者德谟克利特（Democritus），当他们提出原子论时就已经有了正确的观念。这个学说指出，所有的物质都是由原子和空洞的空间组成的。在古希腊语中，原子的意思是“不可分割”，即不可分解成更小的部分。遗憾的是，19世纪的科学家们太仓促地断定他们已经找到了这些不可分割的元素。于是，这个名字被错误地用在如今我们所说的原子上。然而，我们现在知道，这些原子是复合物体，可以分解为更小的组分。最小的物质颗粒
那么，现实世界中的基本粒子是什么呢？要在现实世界中回答这个问题比在使用乐高砖块的假想世界中困难得多，因为我们很难看到最小的组件。但在物理实验室里，物理学家们可以看到。物质确实是由原子构成的，但是原子并不是最基本的。它们是复合物体，如图1.2所示。它们有一个包含质子和中子的原子核，电子在原子核的周围形成（概率）云。因此，原子大部分是由空洞的空间构成的。为了感觉原子的大小，想象一下原子核像你的身体一样大。然后，电子将比头发丝还细小，在约20千米以外围着你转。因此，物质主要由真空和一些基本粒子组成。我们现在来看看，它们是怎么抱在一起不散开的，以及物质为什么看起来像固体。
由此可知，原子由其他粒子组成。甚至质子和中子也不是不可分割的：它们是由夸克和胶子构成的，后者的作用是将夸克捆绑在一起。最终，在物质的核心里，唯一不可分割的粒子就是夸克和电子。我们稍后就会回来再谈胶子。图1.2：所有物质都是由原子构成的，原子核里的中子和质子是由夸克组成的。在原子内部，只有夸克和电子是真正的基本粒子，即不可分割的粒子。它们不能被分解成更小的组分。资料来源：CERN。质子和中子的结构组分
质子和中子是由夸克组成的。我们通过组合两个上夸克与一个下夸克来获得质子。上夸克具有+2/3的电荷，即电子的单位电荷的三分之二。下夸克有-1/3的电荷。因此对于质子，我们具有上+上+下，或+2/3+2/3-1/3=1，从而电荷为+1。中子包含两个下夸克和一个上夸克；因此我们有+2/3-1/3-1/3=0，所以它是电中性的。图1.3：质子和中子可以由上夸克和下夸克构建。资料来源：宝琳·加尼翁，粒子动物园。
这在图1.3的示意图中由来自“粒子动物园”的“小生灵们”展示。朱莉·佩斯利（Julie Peasley）学的是缝纫，但热衷于做动物园管理员，她在参加了一次关于粒子物理学的公开演讲之后就开创了“粒(1)子动物园”。我将在整本书中使用她的粒子们。电荷基本粒子的最著名的特性之一就是它们的电荷，因为它不仅表现在亚原子层面，而且也表现在我们的宏观尺度上。电子的电荷为-1，这个数值构成电荷的基本单位。电子电荷产生电力，电流只是电子在导体里的运动。电力与小溪里的水流非常相似，移动的电子就像水滴一样，每个都携带一个电荷单位，每秒通过的总水量给出水流量。类似地，每秒通过的电子总数给出电流，其强度以安培或每秒库伦为单位。-19库仑，即在这些单位中，电子电荷仅为1.6×100.00000000000000000016库仑。因此，每秒必须通过600亿亿个电子才能产生1安培的电流。电压，或势能差，则对应于海拔的变化：小溪向下流得越陡，水的能量越多。在很长一段时间里科学家们都相信，电子的电荷是最小的电荷单位。然而，夸克具有该电荷的分数值，恰好是电子电荷的1/3或2/3。这是为什么呢？我们不知道，正如我们不知道为什么不存在只有半个电子电荷的粒子。基本粒子的电荷总是以电子电荷的倍数来表示，并且可以是正的或负的。电荷可以叠加：负电荷可以中和等量的正电荷。电荷严格地遵守“守恒”规则：当一个粒子衰减时，即当一个不稳定的粒子分解成几个其他粒子时，次级粒子的所有电荷的总和必须等于初始粒子的电荷数。中性粒子可以分解成两个粒子，一个带正电，另一个带负电。携带负电荷的粒子可以衰变成一个负电粒子和一个中性粒子，或者两个负电粒子和一个正电粒子。电荷永不消失，也不会无中生有。原子
质子、中子和电子足以组成包含118个化学元素的周期表中所有可能的原子（图1.4）。接下来，118个化学元素又可以以不同的比例组合，形成各种分子，它们是原子的堆积。原子和分子构成了我们所观察到的整个可见的物质世界，无论是在地球上还是在其他星球和星系中。图1.4：人们可以通过以不同比例组合质子和中子以及电子获得118个化学元素，质子和中子都是由上、下夸克构成的。资料来源：维基百科。
在原子里，电子围绕原子核旋转。那么，是什么让电子持续地旋转而没有掉到原子核那里去呢？它的工作原理就像一块石头拴在一根(2)绳子上，有个人正在旋转这根绳子。绳子将石头保持在圆形轨道上。如果这个人没抓住绳子，那石头会一直沿着直线往前走。只要我们抓住，绳子就会在石头上施加力量，不断地把石头朝我们手的方向往回拉，迫使它绕着圈走。
电子也是被一条“看不见的绳子”拉着，使其保持在原子核周围的圆形轨道上。只不过这根绳子是电子的负电荷和核中质子的正电荷之间的吸引力，这个力正像石头上的绳子一样作用在电子上。行星绕着太阳转也是这个道理，在这种情况下，重力是不可见的绳子。太阳中的物质产生了一个重力，它提供了保持行星在轨道上运行所需的力。所有的力就像“看不见的绳子”，作用于基本粒子或大的物体上。我们稍后会回来再讲这个问题。
总结：上、下夸克结合形成质子和中子。接下来，它们在原子核内进一步组合，再加入电子，得到原子。通过改变原子核中的质子数量，可以构建周期表中的118个不同的化学元素。最后，通过以各种比例组合原子，可以构建我们周围所有的物质。因此，我们看到的一切都可以从包含电子和上、下夸克的一套基本的结构集合中组建出来。原子和同位素质子、中子和电子足以形成构成周期表的118个化学元素的所有可能的原子：原子核中的质子数确定化学元素的性质。例如，氢原子核只有一个质子，而铁原子核有26个质子，铀原子核含有92个质子。每个原子含有相等数量的质子和电子，因此是电中性的。一个失去了一些电子的原子变为带正电，被称为离子。通过改变中子数量，可获得一种单一化学元素的各种同位素。例如，三个碳同位素中的每一个原子含有6个质子，但它们的中子数不同，即6、7、8。最稳定和最丰富的碳同位素原子核具有12C，表明它含有12个6个质子和6个中子，我们将其表示为核子，其中“核子”代表质子和中子，即出现在原子核内的粒子。含有814C，是放射性的。这仅仅意味个中子的碳同位素原子称为碳-14或着其原子核是不稳定的，并且最终将以特定的速率分裂成更小、更稳定的原子核。碳-14用于考古学中估算植物和动物的年代，它是在宇宙射线撞击空气中的氮原子时产生的。一个活的生物体总是摄取有固定比1214C和C混合物，但一旦它死了，身体中所含的碳-14的数量就例的会稳定下降，因为它是放射性的，其存量不再补充。鉴于我们知道碳-14原子大约需要5730年会衰减一半，所以动植物样品的年代可以从它仍然含有的碳-14的数量中简单地估算出来。标准模型
在过去的50年里，科学家们开发了一个非常精确的理论模型来描述物质的基本组成部分和作用在它们上的力。这个模型帮助我们根据其特性对目前观察到的所有粒子进行分类，该模型是在实验和理论的密切配合下形成的。物理实验室里的发现是理论物理学家们可以建立理论模型的基础，这些模型是对物质世界的有逻辑的和连贯的表述。通过实验观察，可以确认或排除各种理论。同样，理论上的假设可以指导实验工作者进行探索。
当前的粒子物理理论模型称为标准模型。它来源于两个相当简单的想法，在某种程度上就是模型的基本原则：
·第一原则：所有物质都是由基本粒子组成的。
·第二原则：所有这些基本粒子之间的相互作用是通过交换其他基本粒子来实现的。
经过近一个世纪的研究，我们现在知道，自然界中有12种基础的物质颗粒，都是基本粒子（图1.5）。它们分为两类：轻子和夸克。轻子
6个轻子中最著名的是电子。2个其他的带电粒子——μ子和陶子，非常类似于电子，但重得多。所有这些轻子携带-1的电荷。图1.5：物质的12个基本粒子：6个轻子和6个夸克。资料来源：宝琳·加尼翁，粒子动物园。
电子、μ子和陶子都各与一种中微子“相关联”，即电子中微子、μ子中微子和陶子中微子（我们称之为中微子的三种味道）。这6个粒子组成了轻子家族，这个家族包含三代轻子。每一代都包含一个带电的轻子及其相关的中微子。每一代中的2个粒子的关联是通过联合成对地产生而显现出来。当电子产生时，它总是带有一个电子中微子或者一个称为正电子的反电子。
对于μ子和陶子也是如此：每一个都总是与自己的中微子或它的反粒子一起产生。例如，我们从未观察到与电子中微子一起产生的陶子。电子及其中微子都具有电子味道的特性，并且这种性质受到像电荷守恒规则一样的限制。当一对粒子形成时，一个粒子携带一种味道，另一个粒子携带相反的味道。如果中微子绝对没有质量，这种味道将像电荷一样是完全守恒的。但这并不总是正确的，正如我们将在下一节中看到的那样。
像中子一样，中微子是电中性粒子，但是要小得多，正如它们的名字意味着“小中子”。没有电荷，它们极少与物质相互作用。例如，地球表面每平方厘米的面积每秒钟都会承受来自太阳发射的7万亿个电子中微子的撞击。在所有这些中微子中，只有少数几个会与地球上的物质原子相互作用。其他中微子会穿越地球，甚至都不停下来打一声招呼！中微子的质量在很长一段时间里科学家们相信，中微子没有质量，但是这种观念随着物理学家们观察到一种非常特殊的称为“中微子振荡”的现象而发生了改变。该振荡是指，一个给定类型的中微子（例如电子中微子）变到另一种类型的中微子，或者成为μ子中微子，或者成为陶子中微子。这种质变只有在中微子具有质量的情况下才会发生。所以，观察到中微子振荡这种现象就确定了中微子确实具有质量。因此，我刚才提到的电子味道就不是完全守恒的。但是，由于中微子的质量极小，这种不守恒现象也很少见。只有当中微子穿越很远的距离时，我们才会观察到它。雷·戴维斯（Ray Davis）是研究中微子的先驱之一，是第一个探测太阳发射中微子的人。他使用放置在美国明尼苏达州矿山底下的大型放射化学探测器，毫无疑问地确定，太阳发射出的所有中微子只有1/3到达了地球。来自太阳的中微子数量是用描述太阳产生能量的理论模型估计的。雷·戴维斯为此进行了30年的研究，他的工作使他分享了2002年的诺贝尔物理学奖。然而，他的测量留下了一个巨大的、尚没有答案的问题：太阳发出的其他2/3的中微子到哪里去了呢？后来，位于加拿大安大略省北部萨德伯里（Sudbury）一个矿区深处的实验室——萨德伯里中微子天文台（SNO）的物理学家们回答了这个问题。他们证实，事实上，太阳发射出来的一些电子中微子在其传播过程中变成了μ子中微子或陶子中微子。这种振荡现象解释了那些2/3太阳中微子的看似消失。之前，雷·戴维斯的探测器只对电子中微子敏感，这是由太阳产生的独特的中微子类型。但是SNO探测器使用了重水，它是一种对所有三种类型的中微子都敏感的物质。日本研究人员已经在“大气”中微子里观察到振荡，那些中微子是宇宙射线撞击大气中的粒子时产生的。SNO的探测器能够验证，来自三种不同味道的中微子的总数确实等于太阳产生出的预期的中微子数量。SNO确定了中微子振荡发生在太阳中微子上，证实它们具有质量。然而，它们的质量很小，即使我们知道它不为零，但是仍然不能准确地测量它。没有什么比中微子更诡异的东西了！由于发现了中微子振荡，2015年诺贝尔物理学奖授给了日本的梶田隆章和加拿大的亚瑟·B.麦克唐纳德（Arthur B. McDonald）。虽然如此，这一观测还是对标准模型提出了挑战，尽管标准模型并没有预言任何基本粒子的质量。但是，由于中微子是如此的特殊，所以要在模型中加入中微子的质量可能是很棘手的，它是唯一没有电荷的物质颗粒。那么什么样的粒子是中微子呢？电子与它的反粒子（正电子）不一样，因为一个带有负电荷，另一个带有正电荷。但中微子是中性的，因此中微子可能是自己的反粒子。这将是(3)。这是什么意思呢？如果中微子标准模型中唯一的这样的费米子是自己的反粒子，那么它可能与其他粒子获得质量的方式不同。此外，中微子质量如此之小的事实，表明它的质量是特殊的。因此，这引出了几个尚未被回答的问题。正如我们将在第6章中看到的，这是我们掌握的许多线索之一，而这些线索告诉我们，标准模型具有缺陷，所以必须开发新的模型。中微子物理学是粒子物理学里的一个完整的分支，已有一些专著专门讲述它。本书将不涉及这个话题，有兴趣的读者可以查询，如雷(4)。·贾亚瓦哈纳（Ray Jayawardhana）的《狩猎中微子的人们》夸克
除了轻子之外，还有夸克，它们形成了第2个基本粒子家族。它们有6种味道或类型：我们已经熟悉了在质子和中子里发现的上、下夸克。然后来到的是璨和奇异夸克，最后是顶和底夸克。后者也被称为真实和美丽，虽然“顶”和“底”更常用。选择这些名字的部分原因是因为好玩儿，部分原因也是因为发现它们的科学家们不明白为什么会有这么多的夸克，及它们之间到底有什么区别。被发现的第3个夸克是奇异夸克，它就是由于具有令人惊讶的长寿命而得名。
没有人知道为什么夸克和轻子有3代，而且每代还有非常不同的质量，也没有人知道为什么只需要第一代的夸克和轻子去构成原子，从而构成我们周围所发现的所有的普通事物。想象一下，如果一堆乐高积木里含有大小相差很大的砖块，情况将如何？而且，如果有些乐高砖块从来就用不上呢？这些是粒子物理学家试图解释，且尚未解决的许多问题中的一部分。
除了宇宙射线中的μ子之外，第2代和第3代的粒子都没在自然界中发现。虽然所有这些粒子都存在于宇宙大爆炸之后，但现在宇宙已(5)经冷却了太久，以至于没有足够的能量去产生它们。但是，我们可以在实验室里产生所有这些粒子，这就是我们之所以能够知道它们存在的原因。相互作用力的载体
还记得标准模型的第二个基本原则吗？基本粒子通过交换其他基本粒子而相互作用，那些其他粒子是作用力的载体，即我们之前提到的那些“不可见的绳子”。作用力的载体具有一些特征，这些特征使它们被归属到称为玻色子的一大类粒子中去，而物质颗粒，即夸克和轻子，被归属到被称为费米子的另一大类粒子中（见本章后面的“费米子和玻色子”注释框）。
通过交换这些作用力的载体，其他粒子感受到与作用力载体相关联的作用力的效应。这有点儿像两个人在冰上滑冰而且并行移动着，如果一个滑冰者向另一个人投掷了一个沉重的雪球，后一个滑冰者会感受到这种影响，这将使他偏离初始轨迹。同样地，前一名滑冰运动员将从他的投掷中反弹，也将偏离他的初始方向。你可以自己测试一下：穿上一双溜冰鞋，往前方扔一个沉重的物体。如果你的溜冰鞋已经消除了所有的阻力和摩擦力，而且如果你设法不摔倒，你会感觉到反冲。如果你试图接住一个扔给你的沉重物体，你会感觉到同样的效果，这种反冲与开枪射击时遇到的情况相同。基本相互作用力
有四种基本相互作用力：强相互作用力、电磁相互作用力、弱相互作用力和引力。强相互作用力是最强大的力，但它只能在很短的距离内起作用，并且只作用在夸克上，这是夸克与轻子的区别所在。强相互作用力的载体（图1.6）是胶子，正如其名称所表明的那样，它把夸克“胶”在一起，且它是没有质量的粒子。这个力强大到足以把夸克保持在质子和中子里，并克服质子之间的电斥力。其影响几乎不超出中子和质子的半径，但是足够将它们保持在原子核里。其影响的-15(6)范围限于原子核的大小，即10米或0.000000000000001米。
在强度递减顺序中第二强的相互作用力是由光子携带的电磁力，两个带电粒子通过交换光子而“感觉”彼此的存在。这就是两个电荷之间的吸引力或排斥力的建立方式，这取决于它们是否具有相反或相同的电荷符号。
只影响带电粒子的电磁力在我们所有的生活中起着至关重要的作用。椅子腿里的原子和它所在的地面上的原子之间有一个电排斥力，没有它，你的椅子就会穿过地板。原子的结构里大部分都是空的，但是表面附近的电子产生的电场的排斥力使得所有的东西看起来都是完全坚硬的。通过想象原子被弹簧包围着，人们可以体会到这个电场的影响。为了使两个原子彼此靠近，需要压缩这些弹簧。弹簧被压缩得越多，阻力会越来越大，使得两个原子不可能太靠近彼此。最后，这确保了由原子堆积起来的物质看上去是坚实的、紧凑的和不可穿透的；而事实上，如前所述，它的内部大部分是空的。图1.6：与基本相互作用力相关的6个玻色子。通过彼此交换或“投掷”玻色子，粒子们感受到与这些玻色子相关联的力的作用。资料来源：宝琳·加尼翁，粒子动物园。
第三种力量是弱相互作用力，负责粒子衰减和放射性的力，它由+-3个玻色子承载。W和W玻色子都带有一个单位的电荷，一个是正电，0另一个是负电。还有Z玻色子，它是电中性的。弱相互作用力作用在所有的物质粒子上，包括轻子和夸克。如果我们因为中微子的质量很小而忽略引力的话，它就是作用在中微子上的唯一的力。
最后一种相互作用力，引力，是让你现在正舒适地坐着或躺着进(7)行阅读的力量。当然，除非你正在国际空间站里阅读这本书，那里(8)的人们处于失重的状态。然而，引力仍然是所有相互作用力中最神41秘的。在夸克的尺度上，引力比电磁相互作用力弱了10倍，即小了10亿亿亿亿亿倍。
与其他相互作用力相比，引力在粒子尺度上的效果可以忽略不计，真的需要数量为天文数字的物质才会感受到它的影响。为了看到引力和电磁相互作用力之间的强度差异，想想冰箱外壳上贴着的小磁铁就足够了：人们可以轻易地把装有磁铁的小物件贴在冰箱壁上而掉不下来。物质的这一基本属性是冰箱磁铁贴在世界范围内热销的原因。
引力是唯一一种我们还不知道它的载体的相互作用力。但是自2016年2月以来，由于激光干涉仪引力波天文台（LIGO）科学合作组(9)的工作，我们现在已经有了引力波存在的第一个直接证据。但是，到目前为止，这一发现只是建立了这些引力波的经典性质，它们的量子特征尚未被探测到。如果引力波确实像电磁波一样被量子化，那么它们也将成为带有一种作用力的载体，称为引力子，LHC有可能发现它。然而，引力波这个重大的突破已经使天文学家们不仅可以用电磁波（可见光、无线电波、X射线，等等），而且可以用引力波来探索宇宙。天晓得，由于没有任何东西可以阻碍引力波的传播，我们可能很快就会对宇宙最初的时刻有更多的了解。宇宙大爆炸的回声至今仍在宇宙里漫游的引力波中有迹可循。费米子和玻色子物质的颗粒，轻子和夸克，都属于一类被称为费米子的粒子，而相互作用力的载体是另一类被称为玻色子的一部分。这些粒子的类别名称由两位著名的物理学家的名字命名：意大利的恩里科·费米（Enrico Fermi）和印度的萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose），是他们对这两类粒子进行了研究。这样的分类不仅仅是一个简单的名称问题，它表示了这两类粒子有着完全不同的行为。事实上这两类粒子具有不同的自旋值，自旋只是解释各种基本粒子的另一个属性，正如它们的电荷和它们的质量那样。自旋表示它们的角动量，这是一种与其旋转相关的度量，如名称所示。在无穷小的世界中，一切都变得“量子化”，也就是说，某些属性，诸如电荷、自旋或夸克的颜色（使它们对强相互作用力做出反应的属性）等，只能取特定的值，例如1或1/3或1/2。只有这些基本数值的整数倍才被允许称为量子数（因此产生了“量子物理学”一词）。那些允许的值就像楼梯上的台阶：我们可以站在第一阶或第二阶，但没法站在它们之间。如果每一阶都是20厘米高，你站的高度只能是20厘米的倍数。量子数表示某些量可以采取的离散值（与连续值相反）。物质颗粒，即费米子，具有的总自旋值为1/2。这给了它们两个可能的取向：朝上的+1/2或朝下的-1/2。而相互作用力的载体，即玻色子，具有整数自旋值（整的而不是分数的数值），如0、1或2。费米子类和玻色子类遵循不同的统计规律，费米子的一个强制性规则是两个全同的粒子不能以相同的量子态（所有量子数全同的状态）处在同一个位置上。电子属于费米子类。如果我们想在同一个地方放置两个电子，例如放在一个原子内的同一个电子轨道上，它们的各种量子数中的一个必须不同。正如我们刚刚看到的，只有两个可能的自旋取向，朝上或朝下，即+1/2或-1/2。这意味着最多只能有两个电子可以在相同的原子轨道上共存，因为这两个自旋取向是唯一的可能性。因此，原子要有若干电子层才能容纳所有的电子。其产生的后果也是众多的，因为所有的各种化学反应都是受组织电子进入不同的轨道所支配着，这被称为泡利（Pauli）不相容原理。另一方面，允许处于同一状态的玻色子的数量是没有限制的，该属性解释了超导现象。这是怎么一回事呢？超导性就是一种全部电阻完全消失，电流自由流动的状态。如果一个电流注入超导体，这个电流将无限期地循环。所以，如果您的电动割草机是用超导材料制成的，那么只需将其插入电源插座一次让电流流进割草机，即使断电后机器也会无限期地继续转下去。但是，虽然电流在一个超导电动割草机里可以永远流动，但整个机器还是会在割草和摩擦中消耗能量，而最终停下来。为什么我们不能更多地使用这个奇妙的特性来节省能源呢？问题在于，要成为超导，材料（根据其种类）需要冷却到-151℃和-273℃之间。这使实际应用变得很困难，但可能这又是一件好事。否则，夏天的生活将是地狱，因为割草机会不停地在转！当重新组成一对电子时，两个电子成为一个玻色子，因为如果两个半整数自旋以相同的方向排列，相加为1，否则为0。在一个超导体里，允许所有的电子对处于相同的状态。每个电子对都可以具有与其他电子对完全相同的量子数，因为这是玻色子所允许的。于是，两个电子对可以自由地交换位置。在超导体中，所有的电子对都可以与另一对交换位置，而不产生任何散射，因此没有任何电阻。所有这一切看起来非常像在舞池中移动的舞伴们，如果大家在华尔兹曲调中朝着同一个方向移动，那么舞伴们就不会碰撞。然而，让我们回到玻色子：为什么物质的粒子有半整数的自旋值，而相互作用力的载体有整数的自旋呢？我们不知道。这个耐人寻味的差异可能需要通过超对称来解决，我们将在第6章中看到。反物质呢？
每一粒物质都有与其对应的反物质。例如，电子的反粒子是正电子。正电子具有与电子完全相同的质量，但其所有量子数（电荷、自旋、电子味道）都被反转。以这种方式，即使是电中性的粒子也具有其反粒子。例如，一个反中子由一个反上夸克和两个反下夸克组成。中微子可能是它自己的反粒子，尽管这还没有确认。当粒子遇到其反粒子时，两者湮灭，只留下它们的等效能量。6个夸克和6个轻子中的每一个也同样如此：它们都有反粒子。
在实验室的实验中，我们总是产生几乎完全相等数量的物质和反物质，就好像两者是平等的。然而，在浩瀚的宇宙里，环顾四周，几乎没有任何反物质的痕迹。当发现某些反物质时，它总是微量的，例如在宇宙射线中。在实验室里，可观察到正物质出现的概率高出一点点。但是这个差距太小，无法解释为什么我们实际上在宇宙中只能发现正物质。
如果物质和反物质从纯能量中几乎等量地被产生出来，同样的规则也应该适用于宇宙大爆炸之后的片刻，那时惊人的能量以成对的粒子和它们的反粒子的形式成为物质，那些粒子和反粒子又可以与其他粒子结合或相互湮灭。正物质是什么时候以及如何占了反物质的上风？所有的反物质发生了什么情况而不见了？宇宙学家们相信，它不可能隐藏在宇宙的某些角落里，而不暴露出它的存在。物质和反物质迟早会相遇，产生最终将能被探测到的能量烟花。因此，这是物理学的一个巨大的谜团，许多物理学家正在努力研究这个难题。在CERN的LHC上运行的LHCb实验，其主要目标就是解答这个问题。CERN的反物质工厂也正在进行几项实验（参见以下“CERN的反物质实验”一栏）。CERN的反物质实验如果物质和反物质总是以几乎相等的数量被产生出来，那么在大爆炸后本应该存在于宇宙中的所有的反物质到哪儿去了呢？要回答这个问题，必须先验证反物质和正物质是否具有相同的性质。CERN正用一台专门的机器，即反质子减速器（或AD）来支持一个庞大的反物质研究计划，这就是CERN的反氢工厂。该工厂的目的是比较反氢原子（图1.7）与普通氢原子的行为。选择氢是因为它是所有原子中最简单的，只有一个电子围绕着只含有一个质子的原子核旋转。反氢原子是普通氢原子的复制品，由一个带正电荷的正电子（反电子）和一个反质子去替换普通氢原子里的普通电子和质子。要在实验室里做比氢更复杂的替换是不可能的。即使是产生一个氘的反原子，只包含一个反质子、一个反中子和一个正电子，也要比产生一个反氢原子难100万倍。每再附加一个质子或中子将再降低100万倍的产生反原子的概率。图1.7：普通氢和反氢原子的示意图。资料来源：宝琳·加尼翁，粒子动物园。所有的物质在被激发时都会发光，例如当一块金属被加热时。发出的光可以显示产生它的是什么原子。当氢原子中的电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，它发射或吸收特定频率（或颜色）的光。光谱学研究包括分析原子发射的光的所有颜色并建立其光谱，这可以用棱镜来完成。CERN的两项实验，称为ALPHA和ATRAP，涉及反氢的光谱。其中一个实验也可以研究反氢光谱的“超精细结构”，这对应于原子核与正电子自旋之间的相互作用。ALPHA和第三个实验，ASACUSA（图1.8）将会检查这种反氢的超精细结构。在这两种情况下，研究人员将观察反氢原子吸收的具体光频率，然后将其与已知的普通氢的光谱进行比较。为了产生反氢原子，首先我们必须降低反质子的速度，使其能够在正电子附近足够缓慢地通过，以吸引它们并形成反氢原子。研究人员使用磁场将反质子与正电子结合起来，该磁场防止反质子和正电子与普通物质接触，这种接触将导致它们立即湮灭从而无法产生反氢原子。最后一步是将反氢原子移离该磁场，以便研究其超精细结构。否则，强磁场会降低可获得的测量精度。ALPHA和ATRAP在2010年成功地捕获了反氢原子，为未来的光谱学研究迈出了一大步。与LHC束流中的质子不同，反氢原子是中性的，不能被电场控制。然而，反氢原子的行为就像一个微小的磁铁。人们可以使用不均匀的磁场操纵这些微观磁体，并获得一束反氢原子。ASACUSA已经设法产生了这样的束流，最后的一步是测量光谱的超精细结构。图1.8：CERN的反质子减速器大厅里的ASACUSA实验视图。ASACUSA的目标是测量反氢原子的超精细结构，然后与普通氢进行比较。目的是检查物质和反物质是否具有全同的性质，以解释反物质从宇宙中消失的原因。资料来源：CERN。另外两个实验，AEGIS和GBAR，旨在重新测量引力常数，不过是使用反物质测量。要做到这一点，必须检查反氢原子是否像普通氢原子一样与地球的引力相互作用。不幸的是，这不能简单地像伽利略当初那样，用两个不同质量的球对重力加速度常数g进行的测量，从比萨斜塔的顶部往下滴反氢原子。现在所需的设备稍微复杂一点，研究人员将首先用普通氢原子测试他们的设备，以确保一切正常运行。一旦确定好了测量方法，他们将用反氢原子重复这个实验。这肯定不会很容易，但如果成功，这些测量就可以提供一些答案。那时我们将知道反氢是否是普通氢的镜像。这将揭示反物质是否与普通物质不同，并提供一些关于为什么它们从宇宙中消失的线索。适合各种口味的粒子们
标准模型与20世纪上半叶的理论相比，大大简化了粒子世界。在观察了整个粒子（今天有200多个）动物园很久之后，夸克的想法出现了。20世纪上半叶以前，这个动物园里包括诸如质子、π介子、K介子、欧米伽、拉姆达和西格玛等粒子：几十种中性的、带正电的和带负电的粒子。但是在1964年，盖尔曼（Murray Gell-Mann）和兹威格（George Zweig）开发了夸克模型，大大简化了动物园的图像。图1.9：凡是由夸克构成的粒子都是强子。强子家族包括介子（例如，π介子
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